Technische Informatik Prof. Dr. M. Bogdan Institut für Informatik Technischen Informatik 1 WS 2015/16 Übungsblatt 4 Abgabe: bis zum 06.01.2016 im weißen Briefkasten der TI Nähe Raum P 518 1 Hinweise: - Alle nachfolgenden Aufgaben beziehen sich auf die technische Stromrichtung und Schaltungen unter Gleichspannung. - Die Innenwiderstände aller Messgeräte oder Spannungsquellen werden vernachlässigt. Gleiches gilt auch für die Leitungswiderstände. - Führen Sie bitte die Einheiten bei jeder Rechnung mit und gestalten Sie Ihren Rechenweg stets nachvollziehbar. - Bitte begründen Sie stets hinreichend gut Ihre Antworten auf theoretische Fragen. Aufgabe 1: Theoriefragen zu Transistoren(bipolar) 1. Welche zwei bekannten Arten der bipolaren Transistoren gibt es? Geben Sie Schaltsymbole und Anschlussbeschriftungen an. 2. Was unterscheidet einen bipolaren Transistor aufbautechnisch von einer gewöhnlichen Siliziumdiode? Welchen Effekt hat der veränderte Aufbau? 3. Zeichnen Sie die folgenden Größen mit Richtungspfeilen in das Schaltsymbol des npn-transitors ein 2 : Ströme:I C,I B,I E Spannungen:U CE,U CB,U BE 4. Geben Sie nun U CE in Abhängigkeit von U CB und U BE an (Emitter-Grundschaltung). 5. Geben Sie weiter I E in Abhängigkeit von I C und I B an (Emitter-Grundschaltung). 6. Der Stromverstärkungsfaktor eines bipolaren Transistors wird zumeist mit B bezeichnet. Welches Verhältnis verbirgt sich dahinter? 7. Was sagt die Bereichsangabe h FE im Datenblatt eines Transistors aus? Hinweis: Ausgehend von der Beschriftung des NPN-Transistors aus der Aufgabe 1.3 wird nachfolgend mit diesen Größen gearbeitet. Die richtig recherchierte Beschriftung ist daher ein entscheidender Punkt beim Verstehen der nachfolgenden Aufgaben. 1 Dieser trägt die Aufschrift: Keine Werbung oder GEZ-Gesuche einwerfen 2 Unter Beachtung der technischen Stromrichtung Technischen Informatik 1 Seite 1 / 5 6. Januar 2016
Aufgabe 2: NPN-Transistor mit Diode im Sättigungsbereich Gegeben sei die nachfolgende Schaltung mit den bereits angegebenen Größen. Abbildung 1: NPN-Transistorschaltung über den BC546-Transistor 1. Berechnen Sie die Ströme I c, I b und I e. 2. Welchen Verstärkungsfaktor B lässt der BC546 in dieser Schaltungs-Konstellation erkennen? 3. Bauen Sie die Schaltung so um, dass Sie den verwendeten NPN-Transistor durch einen PNP- Transistor ersetzen. Technischen Informatik 1 Seite 2 / 5 6. Januar 2016
Aufgabe 3: Kennlinien von Transistoren Um die Zusammenhänge und Abhängigkeiten der statischen Ströme und Spannungen eines bipolaren Transistors ansehnlich zu beschreiben, wird sich meist der 3 oder 4 Quadranten-Darstellung bedient. Hierfür wurden durch Messungen am populären BC546 NPN-Transistor die nachfolgenden Zusammenhänge in Abbildung 2 illustriert. 3 Eine wichtige Kennlinie fehlt jedoch. Abbildung 2: Transistor-Kennlinienfelder des BC546 3 Diese Grafik entstand aus den Einzelmessungen, die mittels GNUplot grafisch dargestellt wurden. Auf der Webseite der Technischen Informatik stellt der Autor die GNUplot-Skripte sowie die Messreihen zum freien Download bereit. Technischen Informatik 1 Seite 3 / 5 6. Januar 2016
1. Berechnen Sie den gesamten Kollektor-Vorwiderstand des Transistors R VC = R 1 + R D1 aus Aufgabe 2 und zeichnen Sie diesen in die Transistor-Ausganskennlinien ein. 2. Hieraus lässt sich nun (in Bezug zur Widerstandskonstellation) die ungefähre Strom-Steuerkennline des BC547 ableiten. Tragen Sie diese in den dafür vorgesehenen Quadranten in Abbildung 2 ein. Was fällt Ihnen in Bezug zum Stromverstärkungsfaktor B auf? 3. Hat das Absenken des Basisstroms I B von 0.256 ma auf 0.100mA eine signifikante Auswirkung auf den Kollektorstrom I C? 4. Angenommen im Datenblatt des BC547 ist P total mit 500mW angegeben. Berechnen Sie hinreichend viele Punkte der Verlustleistungshyperbel im Bereich von 5 bis 15 V (U CE ), um den Überlastbereich in Abbildung 2 zu kennzeichnen. 4 Wieso ist davon abzuraten, einen Arbeitspunkt oberhalb der Verlustleistungshyperbel zu wählen? 5. Ab welcher Spannung U CE ist bei einem konstanten Basisstrom I B = 400 µa ein Kollektor-Vorwiderstand notwendig 5? 6. Gesucht ist ein Kollektor-Vorwiderstand bei einer Ausgangsspannung von 15V, um einen Kollektorstrom I C von 80 ma zu erreichen und den Transistor nicht zu beschädigen. Lösen Sie grafisch in Abbildung 2. Geben Sie den Widerstandswert in Ohm an. 7. Zeichnen Sie nun auch die neue Stromsteuerkennlinie des gewählten Widerstandes in Abbildung 2 ein. 8. Ermitteln den Basiswiderstand R B, um die 400 µa an der Basis zu erreichen. 9. Zeichnen Sie die Schaltung und tragen die die gewählten Widerstandswerte für R B und R C ein. Die nachfolgenden Fragen beziehen sich fortan auf diese Schaltung. 10. Welche Spannung fällt nun anu BE ab? 11. Hat das Absenken des Basisstroms I B von 0.400 ma auf 0.250mA eine signifikante Auswirkung auf den Kollektorstrom I C? 4 Rechnung b.z.w Formel und Wertetabelle bitte mit angeben, Siehe z.b. Vorlesungsskript Seite 153 5 Ausgehend vom BC547, Abbildung 2 Technischen Informatik 1 Seite 4 / 5 6. Januar 2016
Aufgabe 4: Konstruktion eines Oder-Gatters über einen Transistor Die folgende Schaltung in Abbildung 3 ist Ihnen bereits aus Aufgabenserie 3 vertraut. Abbildung 3: LED Ansteuerung über Oder-Gatter Nun verwenden Sie statt dem Oder-Gatter einen BC546 NPN-Transistor. Alle Widerstände in Abbildung 3 sind hinfällig. Für diese Aufgabe sollen die folgende Widerstände verbaut werden: 3 x 1k Ω 2 x 100k Ω Die Betriebsspannung U B soll 9V betragen. Die maximale Stromaufnahme der LED ist hier mit 20mA vorgegeben. Für den Transistor soll gelten: P TOT =0.5W. Wahrheitstabelle der Schaltung aus Abbildung 3: S2 S1 D1 D2 D3 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1. Wie könnte die gesuchte Schaltung unter Berücksichtigung der Wahrheitstabelle aussehen? Zeichnen Sie einen Entwurf. Hinweis: Die Eigenschaften des BC546 sind annähernd identisch mit dem BC547. Technischen Informatik 1 Seite 5 / 5 6. Januar 2016